Тези, които не са запознати с биологията, генетиката се интересуват от това как клетките на тялото „разбират“, че някои трябва да станат коса, други кости, трети - мозъци и т.н.? Органите се формират последователно, някои продължават да се формират през целия живот, някак си трябва да се дадат командите „стартиране на образуването“и „завършване на формацията“. И ако тези екипи не са формирани от един център, ще възникне хаос.
Къде е този център тогава?
Този въпрос изобщо не е детски. Всъщност това не е един, а няколко въпроса и те засягат всички най-важни проблеми, чието решение се решава от голяма, много сложна и бързо развиваща се наука - биология на развитието. Просто е невъзможно да се отговори на тези въпроси добре и подробно с няколко думи. Отговорите на тях се съдържат в големи и дебели книги и хиляди научни статии. Много от тази наука все още не е ясно и почти всеки ден се правят нови открития.
Но някои общи принципи могат да се опитат да обяснят.
Да започнем с „единния център“, без който ще възникне „хаос“. Изненадващо не е така. Много делящи се клетки могат да се държат доста интелигентно и да образуват сложни структури, дори ако нямат единен контролен център. Такива процеси се наричат "самоорганизация". За съжаление, човешкият ум е толкова структуриран, че е ужасно трудно да разбере подобни процеси. Когато се натъкнем на примери за самоорганизация, винаги ни се струва някакво необяснимо чудо. Например, как се образуват красиви ледени шарки върху стъкло или снежинки от произволно движещи се молекули на водна пара? Къде се съхранява "програмата за снежинка" или нейният "план"? Никъде няма рисунка, но програмата съществува, това са физичните свойства на водната молекула, от които зависи образуването на ледени кристали.
Но обратно към бучките клетки - мъничкият ембрион, който се е образувал от яйцеклетката в резултат на първите няколко разделения. Всяка клетка в ембриона има един и същ геном (набор от гени). Геномът определя всички свойства на клетката, това е нейната "програма на поведение". Програмата за всички клетки на ембриона е една и съща. Клетките обаче скоро започват да се държат по различни начини: някои се превръщат в клетки на кожата, други - в чревни клетки и т.н. Това се дължи на факта, че клетките обменят информация - те си изпращат взаимно химически сигнали и променят поведението си в зависимост от това какви сигнали са получили от своите съседи. Сигналите могат да бъдат и физически: клетките могат да „усещат“своите съседи, където се дърпат или бутат. Освен това някои сигнали идват от външния свят. Например,ембрионалните клетки в растенията усещат гравитацията и я вземат предвид, когато решават как да се държат. Например, тези клетки, които имат съседи само от върха, започват да се превръщат в корен, а тези със съседи само отдолу - в стъбло. И накрая, яйцеклетката може да има проста "маркировка" от самото начало: един от нейните полюси може да се различава от другия по концентрация на някои вещества.
Програмата на поведение за всички клетки първоначално е една и съща, но може да бъде доста сложна и да се състои от няколко отделни набора от правила. Кой от наборите правила ще изпълни дадена клетка зависи от сигналите, получени от клетката. Всяко отделно „правило“изглежда така: „ако са изпълнени такива и подобни условия, направете такова и такова действие“. Основните действия, които клетките правят, са включването или изключването на определени гени. Включването или изключването на гена променя свойствата на клетката и тя започва да се държи различно, да реагира различно на сигналите.
Промоционално видео:
Как става така, че клетките, които имат една и съща програма на поведение и привидно са в същите условия, все още се държат различно? Факт е, че клетките на ембриона всъщност са в различни условия - това просто се случва от само себе си в процеса на делене на клетките. Някой се оказа вътре, някой отвън, някой отдолу, някой отгоре, в някой концентрацията на вещество А е висока (защото тази клетка се е образувала от онази част на яйцеклетката, където е имало много това вещество) и в кого -то вещество А е малко.
Клетките също могат да имат "брояч на разделение", който им казва колко пъти яйцето вече се е разделило. Този брояч е и химичен: първоначално в яйцето имало определени вещества, чието снабдяване не се попълва по време на развитието на ембриона и от това колко от тези вещества са останали в клетката, може да се разбере колко отделения са преминали от началото на развитието.
Програмата за поведение на клетките може да съдържа например следните команди:
„Ако сте навън, и ако концентрацията на вещество А във вас е такава и такава (е в такива и такива граници), и ако концентрацията на вещество В около вас е нула, и ако от началото на развитието са минали 10 разделения, след това започнете да отделяте вещество Б."
До какво ще доведе изпълнението на такава команда? Това ще доведе до факта, че в определен момент (след десет деления) на повърхността на ембриона се появява отделна клетка, секретираща вещество Б. Тя ще бъде разположена на строго определено разстояние от един от полюсите на ембриона, защото в нашия пример вещество А служи за първоначално маркиране на яйцеклетки. Следователно, чрез концентрацията на вещество А, клетката може да определи на какво разстояние от полюсите на ембриона. Защо има само една такава клетка, която секретира вещество В? Но понеже имаше инструкция: "Ако концентрацията на вещество В около вас е нула." Веднага след като първата клетка, в която са изпълнени посочените условия, започне да отделя вещество В, концентрацията на това вещество ще престане да бъде нула и следователно другите клетки няма да започнат да го освобождават.
И какво се случва, ако премахнем инструкцията „Ако концентрацията на вещество B около вас е нула“от програмата? Тогава вещество В ще започне да се секретира не от една клетка, а от цяла ивица клетки, обграждаща ембриона на определено разстояние от полюсите. Ширината на колана и неговото положение (по-близо или по-далеч от полюса, където концентрацията на А е максимална) ще зависи от това, какви концентрации на вещество А са посочени в инструкцията "Ако концентрацията на вещество А във вас е такава и такава."
Сега нашият ембрион е маркиран много по-сложно и интересно от преди. Той има "предна част", в която има много А, а концентрацията на В се увеличава отпред до отзад; тя има централен пояс, където концентрацията на B е максимална; и има гръб, където има малко А и където концентрацията на B намалява отпред до отзад. Нашият ембрион се е разделил на рязко разделени части, в които клетките са в различни условия и следователно ще изпълняват различни подпрограми на първоначалната си обща програма.
Разделихме ембриона на предна, средна и задна част. Те могат да станат, например, главата, торса и опашката. Но също така бих искал да разбера къде ще бъде гърба му и къде е стомахът му. Как да го направя? Много е просто, вече сме минали през това. Необходима е инструкция, която води до появата на само една клетка или малка група клетки, отделящи някакво вещество (например В) от всяка „страна“на ембриона, някъде по средата между главата и опашката. И нека това вещество B стартира програмата за растеж на красиво зелено дорзално било, където има много, и програмата за образуване на мек розов корем, където той е оскъден.
Когато ембрионът вече е толкова добре и подробно „маркиран“, всяка група клетки може лесно да определи къде се намира и да активира подпрограмата, подготвена за този случай (набор от правила за поведение).
По време на развитието на ембриона е вярно, че тук-там се появяват специални "контролни центрове" - групи от клетки, които отделят едно или друго вещество, което служи като сигнал за други клетки и влияе върху тяхното поведение. Но в същото време всички клетки все още се държат в стриктно съответствие с оригиналната генетична програма, която е еднаква за всички. Центровете за контрол възникват сами, чрез самоорганизация, никой умишлено не ги вмъква там. И за това не се изисква „единно централизирано ръководство“, камо ли смислено, разумно.
В развитието на истинските животни всичко е по-сложно, отколкото в нашия въображаем пример, но, колкото и да е странно, не от много. Например при повечето животни се използват около дузина сигнални вещества за "надлъжното маркиране" на ембриона (в нашия пример успяхме да направим две - A и B). Специална група гени, т. Нар. Гени на Хоукс, са отговорни за производството на тези вещества. А за разделяне на ембриона в тъкани (нервни, мускулни, епителни и др.) Се използват още три дузини други сигнални вещества - те се наричат микроРНК. Но това са само най-важните регулатори на развитието и все още има много спомагателни, а учените все още не са разбрали всичките им свойства и функции.
Сигналните вещества, които управляват поведението на клетките на ембриона, са много мощни. Например, ако отрежете опашката на попови лъжички и пуснете някое от тези вещества върху раната, тогава вместо нова опашка, лъскавицата ще расте куп малки крака. Такива жестоки експерименти са проведени в началото на 20 век. Тогава генетиците се заеха с бизнеса, които се научиха да променят работата на гените в отделни части на ембриона. Включително и тези гени, които произвеждат вещества - регулатори на развитието. Едно от най-интересните открития на генетиците е, че гените, които контролират развитието, са много сходни при всички животни. Те дори могат да бъдат трансплантирани от едно животно на друго и те ще работят. Например, ако вземете ген на мишката, който се включи в подпрограмата на окото на мишката и го накара да работи в пъпката на мухата,тогава започва да се образува око върху крака на мухата. Вярно, не на мишичко око, а на мушкато.
И така, разбрахме, че в генома няма „скица“на организъм за възрастни, а само програма за поведението на отделна клетка. Възрастният организъм се „самоорганизира“просто поради факта, че всяка клетка стриктно следва една и съща програма на поведение. Математиците казват, че би било много по-трудно да се кодира план на възрастно животно в генома, отколкото подобна програма. Тази програма, колкото и да е странно, сама по себе си е много по-проста от получения организъм. И също така, ако нашето развитие протичаше не чрез самоорганизация на базата на програма, а според план, ще ни бъде много по-трудно да се развием.
Преди сто години, когато учените все още не знаеха законите на развитието на ембрионите, много от тях в еволюцията им се струваха неразбираеми. Например, някои учени се чудеха как в процеса на еволюция и четирите крака могат да се удължат едновременно - в края на краищата, за това, разсъждаваха, беше необходимо мутациите едновременно да променят дължината на четирите крака наведнъж! Всъщност, ако в генома беше записана рисунка на възрастен организъм, тогава би било необходимо да се направят четири корекции на тази рисунка, за да се увеличи дължината на четири крака. Сега знаем, че развитието протича според програма, в която е достатъчно да се направи само една промяна за дължината на четирите крайника, за да се промени, и да се промени по същия начин.
Александър Марков
